JP2004014376A

JP2004014376A - Electron gun and electron beam device

Info

Publication number: JP2004014376A
Application number: JP2002168313A
Authority: JP
Inventors: Erika Kanematsu; 兼松　えりか
Original assignee: Ebara Corp; Nikon Corp
Current assignee: Ebara Corp; Nikon Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron gun hardly changing a crossover imaging condition even if an application voltage to a cathode is changed. <P>SOLUTION: This electron gun is provided with the cathode 1, a Wehnelt electrode 14 and two anodes 15 and 16. The electrode of the second anode 16 is kept at 0V (grounding potential). When it is assumed that the potential of the cathode 1 and that of the first anode 15 are -V0 and Va, respectively, the level of Va is controlled by following the cathode potential V0 so as to always keep Va+V0, that is, a relative potential difference between the cathode 1 and the first anode 15 constant. Thereby, even if the potential of the cathode 1 changes, its position and level can be restrained from significantly varying. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを試料面に照射して、観察、検査、半導体デバイス製造等を行う電子線装置に使用される電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
試料に電子線を照射したときに得られる信号（２次電子量など）を用いて観察、検査などを行う装置では、しばしば、試料の材質、帯電状況などにより、試料に当てる電子線のエネルギー（ランディングエネルギー）を変える必要が生じる。ここで、ランディングエネルギーは、電子銃のカソードに印加される電圧と、試料に印加される電圧の差で決まる。
【０００３】
一方、２次電子を観察もしくは検査するために用いられる結像電子光学系は、分解能を上げるため精密に設計されている。従って容易に試料に印加する電圧を変えることはできない。そこで、ランディングエネルギーを最適条件に変更するためには、電子銃のカソードに印加する電圧を変えることになる。
【０００４】
熱電子銃は、一般に図３に示すような構造になっており、接地されたアノードに対して、カソードには−Ｖ０（Ｖ０＞０）の電圧が、ウェネルト電極には−Ｖ０−Ｖ１（Ｖ１＞０）の電圧が印加されている。カソードから放出された電子が細く絞られるところをクロスオーバと呼び、電子線装置では、このクロスオーバを光源として用いる場合が多い。クロスオーバの結像位置や大きさは、カソード、ウェネルト電極、アノードの形状及び位置関係、各電極の印加電圧により変わる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、カソードに印加する電圧を変えることによりランディングエネルギーを変えようとすると、光源（クロスオーバ）の大きさや位置などが大きく変化することになり、これを補償しようとすると、電子銃から発生した電子線を試料に導く照明電子光学系が複雑になる。
【０００６】
例えば、ランディングエネルギーを上げる為には、カソードに印加する電圧をより高く（負に大きく）する必要がある。カソードに印加する電圧を上げると、一般にクロスオーバのできる位置はカソードに近い側に移動する。このクロスオーバを加速電圧にかかわらず同じ位置（例えば絞り位置）に結像させるような電子光学系を考えると、レンズひとつでは、高加速電圧の場合ほど倍率が小さくなってしまう。
【０００７】
これは図４のような電子レンズの配置の場合、倍率はｂ／ａとなることから容易に推測できる。この関係を用いると、高加速電圧になるほど、クロスオーバのできる位置はカソードに近い位置に移動するので、ａが大きくなる一方、ｂは一定であるので、倍率が小さくなる。一方、最初にできるクロスオーバの大きさは、試料面に照射する電流量を一定にするために電子銃輝度を一定条件にすると仮定した場合、高加速電圧にするほど小さくなる。
【０００８】
従って高加速電圧になるほど、クロスオーバの大きさは小さく、また単純なレンズでは倍率が小さくなってしまい、クロスオーバ像の加速電圧による変化はより大きくなってしまう。従って、加速電圧を変えてもクロスオーバ像を一定に保つ為には、レンズを増やす必要があり、複雑な照明電子光学系が必要となる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、試料に入射するエネルギーを変えるため等の理由によりカソードの印加電圧を変えた場合でも、クロスオーバ結像条件がほとんど変わらない電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及びアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソード及び前記アノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃（請求項１）である。
【００１１】
前述のように、電子銃におけるクロスオーバの位置と大きさは、カソードとアノード間の相対電位差によって決定される。本手段においては、カソードに印加する電圧を変えても、カソード及びアノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有するので、カソード及びアノードとの間の相対電位差が一定に保たれ、従って、クロスオーバの位置や大きさの変化を小さくすることができる。
【００１２】
前記課題を解決するための第２の手段は、カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及び２つ以上のアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソードと、前記アノードのうち、前記、カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極に最も近いアノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃（請求項２）である。
【００１３】
前記第１の手段において、カソードの電位が変化した場合に、前記カソード及び前記アノードとの間の相対電位差を一定に保つためにアノードの電位を変化させると、アノードの前方に設置させる照明電子光学系の電場に影響を与えることになる。照明電子光学系への影響が無視できないような光学系の場合には、本手段のように、アノードを２つ以上設けるようにすることが好ましい。そして、クロスオーバの位置と大きさは、前記カソードと、前記アノードのうち、カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極に最も近いアノードとの間の相対電位差を一定に保つことにより、カソードの電位が変化してもその位置と大きさの変化を小さく抑えている。
【００１４】
一方、少なくともカソードから一番遠い位置にあるアノードの電位は、カソードの電位の変化にかかわらず一定に保ち、電子銃中の電極電位の変化が、電子銃の外部の電場に影響を与えないようにしている。
【００１５】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記カソードが熱電子放出型のカソードであることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかである電子銃を有することを特徴とする電子線装置（請求項３）である。
【００１７】
本手段においては、ランディングエネルギーを変化させる等の理由により電子銃のカソードの電位を変化させても、光源であるクロスオーバの位置や大きさの変化を小さくすることができるので、投影光学系等の光学系があまり複雑にならなくて済む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である電子銃の電極構成と電位を示したものである。この電子銃には、熱電子放出型のカソード１、ウェネルト電極１４と、２つのアノード１５、１６が設けられている。第２アノード１６の電極は０Ｖ（接地電位）に保たれている。
【００１９】
カソード１の電位を−Ｖ０とするとき、ウェネルト電極１４の電位は−Ｖ０−Ｖ１とされ、Ｖ１を変化させることにより電流量を変化させることができる。一方、第１アノード１５の電位をＶａとするとき、Ｖａ＋Ｖ０、すなわちカソード１と第１アノード１５の相対電位差は常に一定に保たれるように、Ｖａの大きさがカソード電位Ｖ０に追随して制御される。
【００２０】
クロスオーバは、通常ウェネルト電極１４と第１アノード１５の間に形成されるが、カソード１と第１アノード１５の相対電位差は常に一定に保たれるようにされているので、カソード１の電位が変化しても、その位置や大きさの変化を小さく抑えることができる。
【００２１】
このような電子銃を組み込んだ電子線装置の例を図２に示す。これは、２次元試料観察装置（電子線検査装置）である。カソード１から射出した照射ビーム４は、ウェネルト電極１４、第１アノード１５、第２アノード１６、照明電子光学系２を通過して、電磁プリズム３に入射する。照射ビーム４は、電磁プリズム３によって、その光路が変更された後、カソードレンズ７を通過して、試料６を面照明する。
【００２２】
試料６に照射ビーム４が入射すると試料６からは、その表面形状、材質分布、電位の変化などに応じた分布の２次電子、後方散乱電子及び反射電子（発生電子８と総称する）が発生する。この発生電子８は、カソードレンズ７、電磁プリズム３、結像電子光学系９を通して、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｐｌａｔｅ）検出器１０上に投影され、光写像光学系１２を通過して、ＣＣＤカメラ１３に画像が投影される。
【００２３】
ここで、カソードレンズ７、電磁プリズム３、結像電子光学系９は、発生電子８による像が解像度良く結像されるよう精密に設計されている。ランディングエネルギーを変える場合、ステージ５に印加する電圧、すなわち試料６の電位を変えるのではなく、カソード１に印加する電圧−Ｖ０を変え、−Ｖ０に連動して第１アノード１５に印加する電圧ＶａをＶ０＋Ｖａが一定となるように調整する。このようにすれば、ランディングエネルギーを変える為にカソード１に印加する電圧を変えても、クロスオーバのできる位置や大きさの変化は小さく、ランディングエネルギーを変えたときに、照明電子光学系２で倍率を変える必要がなくなり、照明電子光学系２を簡単な電子光学系にすることが可能となる。
【００２４】
なお、本発明は、電界放出型の電子銃に対しても適用できる。すなわち、本発明の実施の形態である電界放出型の電子銃は、カソードと引き出し電極、２つのアノードを備え、第２アノードの電位は０Ｖに保たれている。
【００２５】
カソードの電位を−Ｖ０（Ｖ０＞０）とするとき、引き出し電極の電位は（−Ｖ０＋Ｖ１）とされ（Ｖ１＞０）、Ｖ１を変化させることにより電流量を変化させることができる。
【００２６】
一方、第１アノードの電位をＶａとするとき、（Ｖａ＋Ｖ０）、すなわち、カソードと第１アノードの相対電位差を一定に保つように、Ｖａの大きさをカソードの電位Ｖ０に追随して制御するようにする。
【００２７】
【実施例】
（実施例）
実施例として、図１に示すような熱電子放出型の電子銃について、試料面に照射する電流量を一定にするために、電子銃の輝度を一定に保ちつつ、カソード電圧を変えた場合のクロスオーバの直径とクロスオーバ位置の変化をシミュレーションにより求めた。各電極及びウェハの電位とランディングエネルギー、及びその際のクロスオーバ直径とクロスオーバ位置（カソード電位が−７ｋＶの位置を基準としたもの）を表１に示す。クロスオーバ直径変化は６μｍ、クロスオーバ位置の変化は０．９ｍｍに収まっている。
【００２８】
【表１】

【００２９】
（比較例）
比較例として、図３に示すような電子銃で、実施例と試料照射面に照射する電流量を同じにするような電子銃について、カソード電圧を変えた場合のクロスオーバの直径とクロスオーバ位置の変化をシミュレーションにより求めた。各電極及びウェハの電位とランディングエネルギー、及びその際のクロスオーバ直径とクロスオーバ位置（カソード電位が−７ｋＶの位置を基準としたもの）を表２に示す。実施例と同じカソード電圧（ランディングエネルギー）の変化に対して、クロスオーバ直径変化は３３μｍ、クロスオーバ位置の変化は５．３ｍｍと大幅に増加しており、本発明の効果が実証できた。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料に入射するエネルギーを変えるため等の理由によりカソードの印加電圧を変えた場合でも、クロスオーバ結像条件がほとんど変わらない電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である電子銃の電極構成と電位を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例である電子線検査装置を示す概略構成図である。
【図３】従来の電子銃の電極構成と電位を示す図である。
【図４】レンズの結像関係を示す図である。
【符号の説明】
１…カソード、２…照明電子光学系、３…電磁プリズム、４…照射ビーム、５…ステージ、６…試料、７…カソードレンズ、８…発生電子、９…結像電子光学系、１０…ＭＣＰ検出器、１２…光写像光学系、１３…ＣＣＤカメラ、１４…ウェネルト電極、１５…第１アノード、１６…第２アノード[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron gun used for an electron beam apparatus that performs observation, inspection, semiconductor device manufacture, and the like by irradiating an electron beam onto a sample surface, and an electron beam apparatus using the electron gun.
[0002]
[Prior art]
In an apparatus that performs observation, inspection, and the like using a signal (secondary electron amount, etc.) obtained when a sample is irradiated with an electron beam, the energy of the electron beam applied to the sample (e.g., the energy ( Landing energy) needs to be changed. Here, the landing energy is determined by the difference between the voltage applied to the cathode of the electron gun and the voltage applied to the sample.
[0003]
On the other hand, an imaging electron optical system used for observing or inspecting secondary electrons is precisely designed to increase the resolution. Therefore, the voltage applied to the sample cannot be easily changed. Therefore, in order to change the landing energy to the optimum condition, the voltage applied to the cathode of the electron gun is changed.
[0004]
A thermal electron gun generally has a structure as shown in FIG. 3, in which a voltage of -V0 (V0> 0) is applied to a cathode and -V0-V1 (V1) to a Wehnelt electrode with respect to a grounded anode. > 0) is applied. A place where the electrons emitted from the cathode are narrowed down is called a crossover, and the electron beam apparatus often uses this crossover as a light source. The imaging position and size of the crossover vary depending on the shapes and positional relationships of the cathode, Wehnelt electrode, and anode, and the voltage applied to each electrode.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, if the landing energy is changed by changing the voltage applied to the cathode, the size or position of the light source (crossover) changes significantly. To compensate for this, the electron generated from the electron gun is changed. The illumination electron optics that directs the line to the sample becomes complicated.
[0006]
For example, to increase the landing energy, the voltage applied to the cathode needs to be higher (negatively larger). When the voltage applied to the cathode is increased, the crossover position generally moves to the side closer to the cathode. Considering an electron optical system that forms an image of the crossover at the same position (for example, the aperture position) regardless of the acceleration voltage, the magnification of a single lens decreases as the acceleration voltage increases.
[0007]
This can easily be inferred from the case where the electron lenses are arranged as shown in FIG. 4 because the magnification is b / a. Using this relationship, the higher the accelerating voltage, the more the crossover position moves to a position closer to the cathode, so that a increases while b is constant, so that the magnification decreases. On the other hand, the magnitude of the first crossover becomes smaller as the accelerating voltage becomes higher, assuming that the electron gun luminance is made constant under the condition that the amount of current applied to the sample surface is made constant.
[0008]
Therefore, as the acceleration voltage becomes higher, the magnitude of the crossover becomes smaller, and the magnification becomes smaller with a simple lens, so that the change of the crossover image due to the acceleration voltage becomes larger. Therefore, in order to keep the crossover image constant even when the acceleration voltage is changed, it is necessary to increase the number of lenses, and a complicated illumination electron optical system is required.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the voltage applied to the cathode is changed for reasons such as changing the energy incident on the sample, the electron gun whose crossover imaging conditions hardly change, and It is an object to provide an electron beam device using this electron gun.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A first means for solving the above problem includes a cathode, an electrode for controlling an amount of generation of an electron beam from the cathode, and an anode. Even when a voltage applied to the cathode is changed, the cathode and the anode are changed. An electron gun having a function of keeping a relative potential difference between the anode and the anode constant (claim 1).
[0011]
As described above, the position and size of the crossover in the electron gun are determined by the relative potential difference between the cathode and the anode. In this means, even if the voltage applied to the cathode is changed, the relative potential difference between the cathode and the anode is maintained constant, so that the relative potential difference between the cathode and the anode is maintained constant. A change in the position or size of the crossover can be reduced.
[0012]
A second means for solving the above problem includes a cathode, an electrode for controlling an amount of generation of an electron beam from the cathode, and two or more anodes, and a voltage applied to the cathode may be changed. An electron gun having a function of keeping a relative potential difference between the cathode and the anode closest to the electrode for controlling the amount of electron beam generated from the cathode among the anodes. (Claim 2).
[0013]
In the first means, when the potential of the cathode changes, the potential of the anode is changed in order to keep the relative potential difference between the cathode and the anode constant. It will affect the electric field of the system. In the case of an optical system whose influence on the illumination electron optical system cannot be ignored, it is preferable to provide two or more anodes as in this means. The position and size of the crossover are determined by keeping the relative potential difference between the cathode and the anode closest to the electrode for controlling the amount of electron beam generated from the cathode among the anodes constant. In addition, even if the potential of the cathode changes, the change in the position and the size is kept small.
[0014]
On the other hand, at least the potential of the anode furthest from the cathode is kept constant irrespective of the change in the potential of the cathode, so that the change in the electrode potential in the electron gun does not affect the electric field outside the electron gun. I have to.
[0015]
A third means for solving the problem is the first means or the second means, wherein the cathode is a thermionic emission type cathode (Claim 3). is there.
[0016]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an electron beam apparatus including an electron gun according to any one of the first to third means.
[0017]
In this means, even if the potential of the cathode of the electron gun is changed due to a change in the landing energy or the like, the change in the position and size of the crossover as the light source can be reduced. Optical system does not have to be so complicated.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows an electrode configuration and a potential of an electron gun according to an embodiment of the present invention. This electron gun is provided with a thermionic emission type cathode 1, a Wehnelt electrode 14, and two

anodes

15, 16. The electrode of the second anode 16 is kept at 0 V (ground potential).
[0019]
When the potential of the cathode 1 is -V0, the potential of the Wehnelt electrode 14 is -V0-V1, and the current amount can be changed by changing V1. On the other hand, when the potential of the first anode 15 is Va, the magnitude of Va is controlled to follow the cathode potential V0 so that Va + V0, that is, the relative potential difference between the cathode 1 and the first anode 15 is always kept constant. Is done.
[0020]
The crossover is usually formed between the Wehnelt electrode 14 and the first anode 15, but since the relative potential difference between the cathode 1 and the first anode 15 is always kept constant, the potential of the cathode 1 becomes lower. Even if it changes, the change in the position and size can be kept small.
[0021]
FIG. 2 shows an example of an electron beam apparatus incorporating such an electron gun. This is a two-dimensional sample observation device (electron beam inspection device). The irradiation beam 4 emitted from the cathode 1 passes through the Wehnelt electrode 14, the first anode 15, the second anode 16, and the illumination electron optical system 2, and enters the electromagnetic prism 3. The irradiation beam 4 passes through the cathode lens 7 after its optical path is changed by the electromagnetic prism 3 and illuminates the sample 6 on the surface.
[0022]
When the irradiation beam 4 is incident on the sample 6, secondary electrons, backscattered electrons, and reflected electrons (collectively referred to as generated electrons 8) having a distribution according to the surface shape, material distribution, change in potential, and the like are generated from the sample 6. I do. The generated electrons 8 are projected onto a MCP (Micro Channel Plate) detector 10 through a cathode lens 7, an electromagnetic prism 3, and an imaging electron optical system 9, pass through a light mapping optical system 12, and are transmitted to a CCD camera 13. An image is projected.
[0023]
Here, the cathode lens 7, the electromagnetic prism 3, and the imaging electron optical system 9 are precisely designed so that an image formed by the generated electrons 8 is formed with high resolution. When changing the landing energy, instead of changing the voltage applied to the stage 5, ie, the potential of the sample 6, the voltage -V0 applied to the cathode 1 is changed, and the voltage Va applied to the first anode 15 in conjunction with -V0. Is adjusted so that V0 + Va is constant. In this way, even if the voltage applied to the cathode 1 is changed in order to change the landing energy, the change in the position and size at which crossover is possible is small, and when the landing energy is changed, the illumination electron optical system 2 There is no need to change the magnification, and the illumination electron optical system 2 can be a simple electron optical system.
[0024]
The present invention can be applied to a field emission type electron gun. That is, the field emission type electron gun according to the embodiment of the present invention includes a cathode, an extraction electrode, and two anodes, and the potential of the second anode is maintained at 0V.
[0025]
When the potential of the cathode is -V0 (V0> 0), the potential of the extraction electrode is (-V0 + V1) (V1> 0), and the amount of current can be changed by changing V1.
[0026]
On the other hand, when the potential of the first anode is Va, (Va + V0), that is, the magnitude of Va is controlled to follow the potential V0 of the cathode so as to keep the relative potential difference between the cathode and the first anode constant. To
[0027]
【Example】
(Example)
As an example, for a thermionic emission type electron gun as shown in FIG. 1, in order to make the amount of current irradiating the sample surface constant and changing the cathode voltage while keeping the brightness of the electron gun constant. The change of crossover diameter and crossover position were obtained by simulation. Table 1 shows the potential and landing energy of each electrode and wafer, and the crossover diameter and crossover position (based on the position where the cathode potential is -7 kV) at that time. The change in crossover diameter is within 6 μm, and the change in crossover position is within 0.9 mm.
[0028]
[Table 1]

[0029]
(Comparative example)
As a comparative example, in the electron gun shown in FIG. 3, the diameter of the crossover and the crossover position when the cathode voltage is changed are the same as those in the example and the electron gun in which the amount of current applied to the sample irradiation surface is the same. Was determined by simulation. Table 2 shows the potential and landing energy of each electrode and wafer, and the crossover diameter and crossover position (based on the position where the cathode potential is -7 kV) at that time. With respect to the same change in the cathode voltage (landing energy) as in the example, the change in the crossover diameter was 33 μm and the change in the crossover position was greatly increased to 5.3 mm, demonstrating the effect of the present invention.
[0030]
[Table 2]

[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the electron gun whose crossover imaging condition hardly changes even when the voltage applied to the cathode is changed for the purpose of changing the energy incident on the sample, and this electron gun Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an electrode configuration and a potential of an electron gun as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an electron beam inspection apparatus as an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an electrode configuration and a potential of a conventional electron gun.
FIG. 4 is a diagram showing an image forming relationship of a lens.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cathode, 2 ... Illumination electron optical system, 3 ... Electromagnetic prism, 4 ... Irradiation beam, 5 ... Stage, 6 ... Sample, 7 ... Cathode lens, 8 ... Generated electron, 9 ... Imaging electron optical system, 10 ... MCP Detector, 12: light mapping optical system, 13: CCD camera, 14: Wehnelt electrode, 15: first anode, 16: second anode

Claims

A cathode, an electrode for controlling the amount of generation of an electron beam from the cathode, and an anode; a function of keeping a relative potential difference between the cathode and the anode constant even when a voltage applied to the cathode is changed; An electron gun comprising:

A cathode, an electrode for controlling the amount of electron beam generated from the cathode, and two or more anodes; even when the voltage applied to the cathode is changed, the cathode; An electron gun having a function of keeping a relative potential difference between an anode closest to an electrode for controlling an amount of generation of an electron beam from the anode constant.

The electron gun according to claim 1, wherein the cathode is a thermionic emission type cathode.

An electron beam apparatus comprising the electron gun according to any one of claims 1 to 3.